【文章內(nèi)容簡介】 可見吸收光譜的結(jié)合已成為認識納米顆粒的結(jié)構(gòu)特點及光學性質(zhì)的重要手段之一，在計算光與金屬納米顆粒的相互作用方面 具有較 強的優(yōu)勢。 為計算任意大小及形狀的納米顆粒的 光學 性質(zhì)， DDA算 法首先將該顆粒視為N個 立方單元構(gòu)成的集合體， 再把 每個立方單元 視為電偶極子來處理 [105]。任一個電偶極子與局域場的相互作用表示為 （ 忽略頻率因子 eiwt） 式中 表示單個偶極子的極化率； 由入射光場和其他偶極子在該處所形成的偶極場兩者組成 ， 即 式中 ， E0為 入 射光電場的振幅， k為波矢，相互作用 矩陣 如下： 在這個公式中有如下關(guān)系： 將式 (5)與 (6)代入 式 (4)并整理可得到： 再將此式寫作矩陣形式： 對于包含 N個電偶極子的體系來說， P和 E都是 3N維矢量， A’為 3N3N的 對稱矩 7 陣。解此 3N復(fù)線性方程可求得極化矢量 ， 從而 消光系數(shù) (包括吸收與散射兩部分 )可由以下方程求得 [106]： 以螺旋 銀 納米結(jié)構(gòu)為例， 通過 DDA 計算，我們可以發(fā)現(xiàn) 這種 結(jié)構(gòu)可以很好的實現(xiàn)等離子體峰調(diào)制和電場分布排列。隨著 螺旋 體 半徑 的增加，主要的等離子體峰 受到 s 偏振 ，右旋圓 偏振 ， 以及左旋圓偏振入射 的影響 而發(fā)生紅移。即使不改變結(jié)構(gòu)，通過把入射光從左旋圓偏振改變?yōu)橛倚龍A偏振，等離子體峰也能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)。除此之外，最大電場的空間分布可以通過改變 入射光的偏振方向來調(diào)節(jié)：對于位于主要的等離子體峰波長的 s 偏振光來說，最大電場分布在螺旋橫截面附近，或者接近螺旋中軸線，這是由于強耦合作用 形成的 ； 而對于 圓偏振光， 根據(jù)入射方向，最大電場會位于螺旋的頂端或者底部 。所以，對于傳感和分析 領(lǐng)域 來說， 通過 使用 不同的入射偏振，我們可以從空間上斷定 被分析物在螺旋中的位置。 因此，我們可以獲得空間分辨的被分析物信息。 在實際中 ， 它 可以 在亞微米量級內(nèi)判定被分析物的空間分布 情況 。 5． LSPR 傳感系統(tǒng)的基本構(gòu)造 基于光纖的生物傳感系統(tǒng) 如圖 1 所示這個系統(tǒng)包括一個激光器 (Hitachi HL6320G laser diode, 635 nm, 10mW。 Thorlabs LDC500 laser diode controller。 Thorlabs TEC2021 temperature controller。 Thorlabs TCLDM9 laser mount) ，一個斬波器 (Stanford Research SR540)，一個光纖耦合器，一條傳感光纖，一個 樣液 池 (10mL)，一個光接收器(Thorlabs PDA55)，一個鎖相放大器 (Stanford Research SR830)。 將 乙酰膽堿 (ACh)溶液放 入 樣液 池 中， 并使 LSPR 傳感器水平放置。 在 達到平衡后， 在 容器中 放入特定量的對氧磷 ， 60 秒后 會 產(chǎn)生 一個新的穩(wěn)定響應(yīng) ， 它們之間的反應(yīng) 可 在 2到 4 分鐘內(nèi)測量。 8 圖 1 LSPR 生物傳感器系統(tǒng)的示意圖 基于反射的光纖 (RFO)傳感系統(tǒng) RFO對于高壓的構(gòu)造如圖 2所示。這個系統(tǒng)由 一個 激光器 (Hitachi HL6320G laser diode, 635nm, 10mW。 Thorlabs LDC500 laser diode controller。 Thorlabs TEC2021 temperature controller。 Thorlabs TCLDM9 laser mount)， 一個斬波器(Stanford Research SR540)， 一個 分光器， 一個鎖相放大器 (Stanford Research SR830)，以 及一個圖片接 收 器 (Thorlabs PDA55)組成。圖 2的放大部 表示 沒有覆蓋的光纖穿過 一個 1/16英寸 的 PEEKTM聯(lián)合 管套筒。 PEEKTM聯(lián)合接線至一個熱控制的高壓室中， 接線管為 1/4英尺 長， 厚 的 不繡鋼 高壓管 ， 在 450 K下可以承受高達 70MPa。高壓室的溫度通過循環(huán)水浴 (Wisdom, model LC06)保持誤差 在177。在高壓室中 使用 鎳鎘 鎳鋁 熱電偶 (Thermocoaxe Type K)測量 待測 液 樣溫度 ， 熱電偶通過鉑溫度計 (Guildline, model 9540)校準。溫度測量的精確度在177。壓力測量 使用儀器為 精確度在 177。 (Sensotec, model AG300)。 高壓源容器 用 來 供給 超臨界 二氧化碳 (SCCO2)， 高壓液體泵 (Shimadzu LC8A)把被分析溶液壓入高壓室。 每個測量至少重復(fù) 5次 。 測量受體單位濃度 時 ，歸一化強度會發(fā)生 變化 ，從而可以 確定 金納米粒子 修飾的LSPR光纖 傳感器的靈敏度 。 9 圖 2 高壓條件下基于反射的光纖傳感系統(tǒng)示意圖 6． LSPR 傳感器的構(gòu)造 目前出現(xiàn)的各種新型的，把生物識別反應(yīng)轉(zhuǎn)換成放大的光 電 信號 的 設(shè)備的 基礎(chǔ)是納米金和銀粒子所產(chǎn)生的局域表面等離子體共振光譜及其電學性質(zhì)。 T. Schalkhammer[107]曾詳細地論證了 1個金屬鏡面上能夠結(jié)合聚合物隔離層、生物反應(yīng)層和與生物識別相結(jié)合的納米金屬簇 ，借助于簇與鏡面偶極分子之間的相互作用 (連接或解離 )，通過產(chǎn)生的共振 增強 光譜 從 而轉(zhuǎn)換成清晰可檢測的光學信號，如圖 3所示。 圖 3 放大了的金屬簇光學生物傳感器組成 圖 4 所示的是基于電光調(diào)制的 LSPR 生物傳感器 ，左上 圖 為該生物傳感器的 實物 照片，右上 圖 為該生物傳感器的截面示意圖。 這種 LSPR 生物傳感器的設(shè)備結(jié)構(gòu)制作在 x剖 面， y方向 的 LiNbO3上，這種 材料 具有優(yōu)異的電 光效應(yīng)。 10 這種生物傳感器由一對電極， 鈦擴散的波導(dǎo)， 以及 涂覆 了 人血清白蛋白 (HSA)的金納米粒子 的傳感區(qū)域組成。 在共面電極上加電壓 可以使 電場沿 Z 方向 傳播 ，這樣就可以 通過電光系數(shù) r13 來調(diào)制折射率。 圖 4 基于電光調(diào)制的 LSPR 生物傳感器的設(shè)備結(jié)構(gòu) 7． LSPR 傳感器 制作 工藝 基于電光調(diào)制的 LSPR 生物傳感器的制作 1020 176。C 下 在 襯底上 擴散 20nm 厚的條形鈦 ， 整個 過程 持續(xù) 6 小時 ， 就 可形成 波導(dǎo) 。 利用 光刻和熱蒸發(fā) 技術(shù)制成 300nm 厚的 帶有電極的 鋁 膜 ， 電極間距 分別 為 40， 60 和 80μm，對 應(yīng)波導(dǎo)寬度 分別 是 20, 40 和 60μm。 為了防止電極由于液體分析物的增加而短路，在襯底 的傳感區(qū)域 上沉積一個 4nm 長 ， 300nm 厚的SiO2 開口層。 向 沸騰的 HAuCl4 溶液中 加 入 檸檬酸鈉 即可 制取 金納米粒子 ，粒子 直徑的 平 均值 是 ， 標準差 是 。為了在 LiNbO3 上固定金納米粒子， 使用 羥基 團 和 3 氨丙基三甲氧基硅烷 對襯底表面 的末端分子 進行化學 修飾 。 金納米粒 子通過光刻和旋涂 選擇性沉積 在表面上 。 把經(jīng)過 化學修飾 的表面[108]浸 泡在 HSA 的磷酸二氫鈉溶液中， 就可使 HSA 在納米粒子表面自合成。完整的 LSPR 生物傳感器如圖 4 所示。 被分析物 為 β 阻滯劑（心得舒） ，它可以按照 1:9 配置乙腈和去離子水溶液 制取 。 11 在玻璃表面固定金納米棒 80176。C 下 ， 用 RBS 洗滌劑清洗玻璃襯底， 并使用 超聲波降解標本 10 分鐘 。在用 水沖洗 干凈后， 把 載 玻 片 放在 1:1 的甲醇 /鹽酸溶液中 ， 超聲波降解 30 分鐘后 ， 再一次 用 大量水沖洗 ，然后 使用乙醇沖洗 。接下來，將載玻片 置于烤箱中在 60176。C 下 進行 烘干 ，烘干過程大概需要 12 小時 。 在 冷卻后， 將 載 玻 片 放在 10%的 巰丙基三乙氧基硅烷 (MPTES)的 乙醇溶液中 反應(yīng) 15 分鐘 ，使玻璃表面形成硫基硅烷 自組裝單層膜 (SAM)結(jié)構(gòu) 。將這些經(jīng)過處理的載玻片 在 乙醇中 徹底清洗并再一次使用 超聲波降解 （每一個 載玻片 持續(xù) 5 分鐘 ） 。最后 ，把載玻片放入烤箱 ，保持溫 度為 120176。C，烘干過程 持續(xù) 3 小時 [69,109,110]。 金納米粒子棒 固定在 硫基硅烷 SAM 的玻璃表面上 之前 ， 要進行 精密離心過濾 過程， 去除 金納米棒 懸浮液中 多余的 溴化十六烷基三甲 基 銨 (CTAB)。懸浮液均勻分布在三個管中并在 4500rpm 下進行 30 分鐘離心（ Beckman 模式 J2121離心機 ，配有 旋轉(zhuǎn)器） ，過 濾掉 一半懸浮物 。 將 納米棒 懸浮液 重新懸浮 ，同時將 每 個 試 管中 的溶液 稀釋 為 30mL， 再次離心， 過濾 所有懸浮物。 接下來，將 每 個 試管 中的 納米棒 懸浮液再次稀釋至 30mL 并 懸浮 ， 再 一次 離心。在 過濾懸浮 物后，金納 米棒 會 互相組合 ， 最終 可以得到 總 體積為 75mL 的水 懸浮 液 ，將 經(jīng)過修飾 的硫基硅烷玻璃載 玻 片 置于此 懸浮液 中， 約 12 小時 后，即可 完成 金棒芯片 的 制備 。 金納米線表面結(jié)合自組裝分子 金納米線陣列芯片 的制作 在硅 基板上 旋涂 濃度為 %的 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)溶液， 膜厚約50nm，在 150176。C 下烘烤半小時，去除水氣并使 PMMA排列定型。使用原子力顯微鏡 (AFM)(SmenaHV, NTMDT, Russia)進行 納米壓印 ，力學常數(shù)為 40N/m，探針針尖直徑約 20nm (NSC15, MikroMasch, Russia)。這個過程 主要是 在 鋪 有 PMMA的硅基板上刻 劃 出納米凹槽 后 ， 用 電子槍蒸鍍系統(tǒng) 。蒸鍍時，要 先蒸鍍 厚度約 為1nm的 鈦 層 ，再蒸鍍 厚度 為 20nm的金 層 。 制作 過程 中還 要 輔助剝離與清洗過程。最后， 可以 得到線寬小于 100nm金納米線陣列，流程示意圖如圖 5所示 。 12 圖 5 金納米陣列制作流程示意圖 自組裝分子層結(jié)合 在室溫下 ，把 制作好的金納米線陣列 芯 片浸入濃度為 103M 的十八烷硫醇(ODT)酒精溶液中，經(jīng)過一段特定時間后取出 芯 片，立即 用 酒精清洗并 用 氮氣槍吹干 。 最 后 ， 在空氣中用加熱板 在 100176。C 下 烘烤約 10 分鐘，確保殘留在 芯 片上的水分完全去除，進而 可以 得到表面 結(jié)合了 ODT 分子的金納米線陣列。 利用 NSL 技術(shù) 制作 Ag 納米微粒 納米球光刻術(shù) (NSL)是一種納米加工制造技術(shù)。利用這種技術(shù)能夠控制表面限定的納米微粒的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)（見圖 6）。利用這種技術(shù)合成面寬約為100nm，高為 500nm 的 Ag納米三角形微粒，并采用 LSPR 光譜測量法測量微粒的光學特性。納米微粒的消光波長極大值隨吸附物質(zhì)發(fā)生位移，導(dǎo)致靠近納米微粒表面處的局部反射發(fā)生改變。 為制備生物傳 感用 LSPR 納米傳感器，首先用自組裝單層膜使 Ag 納米三角形微粒具備吸附功能；其次利用零長度耦合試劑將生物素共價連接吸附到羧基上。 如圖 6 所示， Ag 納米微粒的制作步驟如下： (1)清潔基片； (2)將單一溶劑聚苯乙烯納米球滴落覆蓋在基片上； (3)烘干六邊緊密填充的納米球單層膜，形成納米球掩模； (4)Ag 蒸發(fā)沉積在樣品上； (5)在乙醇中 進行超 聲波 降解 去除納米球掩模； (6)制備出 Ag 納米微粒樣品。 13 圖 6 銀納米微粒的 NSL 加工工序 銀納米結(jié)構(gòu)薄膜 目前，出現(xiàn)了 一種新穎 的 制作銀納米結(jié)構(gòu)薄膜的方法 ， 在 制作過程中 ， 反應(yīng) 濺射 AgOx 薄膜 量 較之以往 減少 了 [110,111]。這種方法具有 如 下優(yōu)點： (1)可以在 圓片級 區(qū)域上制作 均勻的 銀納米結(jié)構(gòu)薄膜； (2)不需要額外加熱； (3) AgOx 的還原 所需時間短。這些優(yōu)點使得這種方法 不單 適用于批量生產(chǎn) 銀納米薄膜 ，而且 適用于 制作 低成本的 LSPR 傳感芯片。銀納米薄膜在 LSPR 生物傳感器方面的應(yīng)用具有很大的潛力，它 可以 用于檢測生物素和鏈酶親和素分子間的反應(yīng)。 通過 反應(yīng)離子刻蝕 (RIE)還原 AgOx 薄膜 可以制取 銀粒子的納米結(jié)構(gòu)薄膜[111,112]。在總壓強為 的 氬氧 混合 氣體 （ 40%氬氣， 60%氧氣 ） 中對純銀靶(%)進行反應(yīng)射頻磁控濺射，經(jīng)過拋光的硅晶片上 （ 尺寸為 1010mm2）可沉積一層 厚度為 50nm 的 AgOx 薄膜 。 然后 AgOx 通過兩個 RIE 刻蝕過程被還原為 Ag。 第一個刻蝕過程在 CF4(2sccm)， H2(30sccm)和 O2(10 sccm)的混合氣流中進行，整個過程 持續(xù) 1 分 30 秒； 第二個刻蝕過程在 H2(30sccm)和 O2(10sccm)的混合氣流中進行 ，整個過程持續(xù) 8 分鐘。第一個刻蝕過程 讓 銀納米粒子成核，而第二個刻蝕過程是核的生長過程。 金納米井 芯片的制作 在金